温度传感器动态特性研究方法分析及展望

温度传感器动态特性研究方法分析及展望

1、温度传感器动态特性的研究

1．1动态特性的概念

温度传感器动态特性是指温度传感器测得的温度(输出值)与被测温度(输人值)增量之间的关系。一个动态特性好的温度传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输人随时间变化的规律，即具有相同的时间函数，这是动态测量中对温度传感器提出的理想要求。但实际上除了理想的比例特性环节外，输出信号将不会与输人信号具有完全相同的时间函数。探明温度传感器的动态特性修正输出温度值可以使这种输出与输人不一致的现象尽可能减小，得到准确的输人被测温度随时间变化的规律。温度传感器动态特性的研究领域有很多，包括动态标定方法及动态性能指标的计算，动态数学模型的建立方法及其时频域分析，改善动态特性的方法。

1．2动态标定

我们常用温度传感器对阶跃温度信号的响应对其进行动态标定，得出传感器动态特性曲线，确定其动态性能指标，为不同的测温场合选择温度传感器及对传感器的动态特性的改进提供依据，通常定义热响应时间或时间常数两个反应温度传感器动态特性的参数。对温度传感器进行动态标定常用水浴或油浴的方法，这些方法的主要不足之处在于：(1)现场实用性差；(2)不适于快速响应的温度传感器。如果是时间常数较小的温度传感器，这种标定方法由于产生较大的误差而不适用。为了加大阶跃温度上升前沿的斜率，需要采用其他方法，由于激光能够在微秒或纳秒内使材料表面产生瞬时温升，不少学者将激光作为对传感器加热的热源应用在温度传感器动态标定实验方法中。当激光束照射温度传感器时，温度传感器被辐射加热，并以热传导的形式向内部传递。当温度达到所需值时，关掉激光电源，温度传感器受到负阶跃温度的激励，它按照实际应用时的冷却过程冷却。在冷却期间就可以精确测定温度传感器在工作现场的动态特性。采用钕玻璃激光器发射激光脉冲对金／钯薄膜热电偶温度传感器进行动态标定研究，借助热辐射通量来研究动态响应特性。结果表明，记录的频率响应曲线并不是热电偶自身的频率响应曲线，而是传感器与基体的频率响应曲线，由此实验装置测得宽81xm 的金／钯薄膜热电偶响应时间约为1m s。目前，市场上的激光器种类非常多，一般来说，研究人员多选用二氧化碳激光器和掺钕玻璃脉冲激光器。其特点如下：(1)二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10．6mm，连续输出方式功率可达几瓦，脉冲方式达到几千瓦。

(2)掺钕玻璃脉冲激光器具有良好的物理、化学性能，荧光谱线宽，高光束质量，高稳定性，高重复性。主要缺点是导热率太低，热膨胀系数太大，不适于作连续和高重复率器件。

除了可以用激光做时间常数小的温度传感器动态标定实验中的热源，其他能产生瞬时温升的热设备也可以作为瞬态高温传感器动态标定系统中的激励热源。就用加热回路作为表面高温传感器动态标定实验中的热源，进行了一定量的研究工作，实验结果表明，该法理论上有依据，技术上易实现。采用脉冲激光器，加热回路对时间常数小的温度传感器进行动态标定研究工作，具有如下特点：

(1)测试精度高，温度范围大；(2)一种实用的现场测试法，实际使用时，不用移动温度传感器；(3)可用于各种高温传感器。此种标定方法对响应时间达毫秒或微秒量级的温度传感器有着较高的精度。

1．3建立温度传感器动态数学模型方法

根据动态数学模型，可以正确评价温度传感器的动态性能。通常我们都把温度传感器的动态特性简单视为一阶系统，根据动态标定实测曲线估算其动态响应性能，这对时间常数较大的温度传感器是适用的。对于时间常数小的温度传感器不能简单地把动态特性等价为一阶系统，这样得到的动态响应精度较差。不少研究人员提出对温度传感器动态特性建立数学模型，由模型进行频谱分析，估计传感器的动态特性精度较高。

传感器动态建模方法分两类：机理建模法和实验建模法。温度传感器机理建模是依据热力学的基本理论对传感器进行分析和抽象，提出模型，列出微分方程，用解析方法推导出动态响应的表达式，或者用数值方法求解得到动态响应过程的数值。实验建模法又分时域方法和频域方法，传统的时域方法是以传感器的离散时域标定数据为基础运用系统辨识的方法先建立相应的差分方程，经z变换后求得离散传递函数，然后由双线性变换可以得到连续传递函数。而频域方法则是先由时域瞬态响应经傅立叶变换求出频率响应，然后由频率响应求传递函数。南京理工大学等研究人员在瞬态温度传感器动态标定实验方案基础上，对实验结果加以必要的数据处理和数学计算，尝试了用时域实验建模方法：系统辨识方法、沃尔什变换方法、自适应方法和神经元方法建立温度传感器差分方程形式的动态数学模型，并在计算机上对传感器动态特性进行数字仿真，模型结果与实验结果具有较高的拟合程度，实现了高精度的在线动态标定。

1．4提高温度传感器动态特性

提高温度传感器的动态特性，是我们研究温度传感器动态特性的根本目的，也是实现瞬变温度测量所必要的。

1．4．1改变温度传感器的结构参数

这种方法的原理是温度传感器小型化，测温元件薄膜化，能够使温度传感器动态响应加快。薄膜温度传感器就是在此背景下应运而生的，其原理与普通热电阻，热电偶相似，但它的热接点厚度一般只有几微米，具有体积小、响应时间短、灵敏度高、便于集成等特点，更适于测量物体随时间快速变化的温度。

1．4．2改变敏感元件的测温原理

非接触式测温不破坏原有的温度场，适于动态温度的测量。红外辐射高温计是一种非接触式测温的传感器，利用红外检测技术的原理。红外辐射高温计具有较高的测量准确度，在理论上无测量上限，可测量相当高的温度。其中的红外探测器将接受的红外线转换为电信号，经线性化处理后即可获得相应的温度值。物体红外辐射的传播速度就是光的速度，所以原则上测量物体每一点温度所需时间仅受这种仪器本身使用的探测器响应时间的限制，而探测器响应时间可达微秒级，故易于快速与动态测量。

1．4．3设计动态补偿滤波器

动态补偿的意义在于：在温度传感器现有的工艺、结构难以有较大突破的情况下，通过动态补偿的方法，使传感器获得较好的动态特性。文献[6]在对瞬态温度传感器动态响应特性研究的基础上，基于动态数学模型，设计动态补偿数字滤波器展宽温度传感器工作频带，对温度传感器测得的信号进行动态误差补偿，以此